доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Проблемной научно-исследовательской лаборатории (ПНИЛ) – 204,
125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4
Dr. Sci. (Technical), Leading researcher, Problematic scientific-research Laboratory – 204,
4 Volokolamskoe shosse, Moscow 125993
Цель. Математическое моделирование теплообмена в плоских каналах с симметричным обогревом и круглых трубах с шероховатыми стенками.
Метод. Расчет проводился методом Лопиталя-Бернулли. Решение задачи об интенсифицированном теплообмене в круглой трубе с шероховатыми стенками получено с помощью интеграла Лайона.
Результат. В статье разработана методика теоретического расчѐтного детерминирования теплообмена для плоских шероховатых каналов и круглых труб с шероховатыми стенками на основе принципа суперпозиции полной вязкости в турбулентном пограничном слое, преимущественно отличающаяся от существующих теорий. Анализ полученных расчѐтных значений теплообмена и гидросопротивления для плоских шероховатых каналов и круглых шероховатых труб показывает, что повышение теплообмена всегда меньше, чем соответствующее повышение гидравлического сопротивления, что является недостатком по сравнению с каналами с турбулизаторами при прочих равных условиях. Результаты расчѐта теплообмена для каналов с шероховатыми стенками для расширенного диапазона определяющих параметров, существенным образом отличающиеся от соответствующих данных для каналов с турбулизаторами, определяют уровень интенсификации теплообмена.
Вывод. Увеличение расчѐтных значений относительного осреднѐнного теплообмена Nu/NuГЛ для плоских шероховатых каналов и шероховатых труб с очень большими значениями относительной шероховатости дает как увеличение относительной высоты шероховатости h/R0, так и увеличение числа Рейнольдса Re. Главное преимущество решений для осреднѐнного теплообмена для шероховатых плоских каналов с симметричным тепловым нагружением и круглых труб, полученных по разработанной теории, по сравнению с эмпирическими зависимостями заключается в том, что они позволяют рассчитать теплообмен в шероховатых трубах в случае больших и очень больших относительных высот выступов шероховатости в том числе и для больших чисел Рейнольдса, что характерно для труб малых диаметров и узких плоских каналов. Повышение относительного теплообмена на воздухе вследствие увеличения относительной высоты шероховатости или числа Рейнольдса сопровождается еще более существенным повышением гидравлического сопротивления. Полученные расчѐтные данные по осреднѐнному теплообмену показали, что в рассматриваемом диапазоне определяющих параметров для плоских шероховатых каналов с симметричным тепловым нагружением, при прочих равных условиях, осреднѐнный теплообмен выше на (4,811,7)% по сравнению с круглыми шероховатыми трубами.
Objectives. The aim of present work was to carry out mathematical modelling of heat transfer with symmetrical heating in flat channels and round pipes with rough walls.
Methods. The calculation was carried out using the L'Hôpital-Bernoulli's method. The solution of the problem of intensified heat transfer in a round tube with rough walls was obtained using the Lyon's integral.
Results. Different from existing theories, a methodology of theoretical computational heat transfer determination for flat rough channels and round pipes with rough walls is developed on the basis of the principle of full viscosity superposition in a turbulent boundary layer. The analysis of the calculated heat transfer and hydroresistivity values for flat rough channels and round rough pipes shows that the increase in heat transfer is always less than the corresponding increase in hydraulic resistance, which is a disadvantage as compared to channels with turbulators, with all else being equal. The results of calculating the heat transfer for channels with rough walls in an extended range of determinant parameters, which differ significantly from the corresponding data for the channels with turbulators, determine the level of heat exchange intensification.
Conclusion. An increase in the calculated values of the relative average heat transfer Nu/NuGL for flat rough channels and rough pipes with very high values of the relative roughness is significantly contributed by both an increase in the relative roughness height and an increase in the Reynolds number Re. In comparison with empirical dependencies, the main advantage of solutions for averaged heat transfer in rough flat channels and round pipes under symmetrical thermal load obtained according to the developed theory is that they allow the calculation of heat exchange in rough pipes to be made in the case of large and very large relative heights of roughness protrusions, including large Reynolds numbers, typical for pipes of small diameters and narrow flat channels. An increase in the relative heat exchange in air due to an increase in the relative height of the roughness or the Reynolds number is accompanied by an even more significant increase in the hydraulic resistance. Calculated data on averaged heat transfer obtained in the work showed that in the range of determinant parameters for flat rough channels with symmetrical thermal loading, the average heat transfer is higher by (4.811.7)% as compared to round rough pipes – all other things being equal.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.